西门子802D sI系统在立式加工中心的应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文西门子802D sI系统在立式加工中心的应用姓名：幸玮申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：孙旭东20091201人连理T 大学专业学位硕士学位论文摘要加工中心是指在工件一次装卡中，能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰丝、攻丝等多工序的数控机床。立式加工中心是指主轴轴心线为垂直状态的加工中心。立式加工中心具有设备利用率高、缩短加工准备时问等优点，同时其相对低廉的造价在大规模应用上也提供了便利，这使得该机型在我国制造行业中具有很重要的地位，其发展的好坏，对我国制造业的进步和提高，有着不可估量的作用。对于同种类机床，采用不同的数控系统，该机床的加工精度等重要参数及可实现功能会有很大的不同，对于机床的可靠性也有影响。优秀的电气设计，可以强化机床性能，提高加工效率，同时对于机床的安全操作及操作者的生命安全也有重要保障。本课题主要是在西门子8 0 2 Ds l 系统环境下，根据作者在主管V D L 6 0 0 A 立式加工中心的设计过程中，依据机床参数及功能要求，并结合欧盟B S E N l 2 4 1 7 2 0 0 1 中所列C E 认证要求，所进行的伺服电机匹配设计，电气逻辑图设计和电气原理图设计。本文首先介绍了数控机床的发展概况，以及常用的几种数控系统，通过对V D L 6 0 0 A的参数分析，对其伺服电机进行了匹配选择，同时结合C E 认证的安全标准，进行了该机床原理及逻辑图设计，并对其刀库的换刀动作过程及原理设计进行了重点说明。关键词：数控系统；立式加工中心；C E 认证；刀库大连理工大学专业学位硕士学位论文T h eA p p l i c a t i o no fS y s t e mS i e m e n S8 0 2 Ds li nV M CA b s t r a c tT h em a c h i n i n gc e n t e ri Sak i n do fC N Cm a c h i n et o o l，w h i c hc a np e r f o r mm i l l i n g，d r i l l i n g，b o n n g，r e a m m ga n dt a p i n ga n dm u l t i-w o r k i n gp r o c e d u r ei no n es e t u p T h eV e r t i c a lM a c h i n i n gC e n t r ei sak i n do fm a c h i n i n gc e n t r ew i t hv e r t i c a ls p i n d l el i n e T h eV e r t i c a lM a c h i n i n gC e n t r eh a sm a n ya d v a n t a g e sl i k eh i g h e ru t i l i z a t i o no fe q u i p m e n t，i tC a na l s oh e l pt oc u td o w nt h ep r e p a r i n gt i m e，a tt h es a m et i m ei t sr e l a t i v e l yl o wc o s tt a k e sc o n v e n i e n c ef o ri t sl a r g e s c a l ea p p l i c a t i o n s，S Ot h i sk i n do f m a c h i n ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l eo nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y，Sd e v e l o p m e n ti nC h i n a，i t sd e v e l o p m e n th a sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi nC h i n a a ni m m e a s u r a b l ee f f e c tf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h eF o rt h es a m ek i n do fm a c h i n e，u s i n gd if f e r e n tC N Cs y s t e m，t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sl i k em a c h i n i n gp r e c i s i o na n df u n c t i o n s，w h i c hc a nb er e a l i z e d，w i l lb ev e r yd i f f e r e n t，i ta l s oa f f e c t st h er e l i a b i l i t yo ft h em a c h i n e。E x c e l l e n td e s i g no fe l e c t r i c a lp r i n c i p l e sa n ds e r v om o t o rm a t c h i n gw i l ln o to n l yo p t i m i z em a c h i n ep e r f o r m a n c e，i m p r o v ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c yb u ta l s op l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns e c u r i n gm a c h i n es a f e t ya n do p e r a t o r SI i f e T h ea u t h o rw a si nc h a r g eo ft h ed e s i g nf o rV D L 6 0 0 E V e r t i c a lM a c h i n i n gC e n t e r T h ed e s i g n so fs e r v om o t o rs e l e c t i o n，e l e c t r i c a ll o g i cd r a w i n ga n de l e c t r i c a lp r i n c i p l ed r a w i n ga r eb a s e do nm a c h i n ep a r a m e t e r s，f u n c t i o na n dC Ec e r t i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t sl i s t e di nB S E N l 2 4 1 7 2 0 0 1 T h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fC N Cm a c h i n et o o l sa n ds e v e r a lk i n d sC N Cs y s t e m，t h r o u g ht h ea n a l y z i n go ft h ev e r t i c a lm a c h i n i n gc e n t e rV D L 一6 0 0 Ea n dt h em a t c ho fi t ss e r v om o t o rs e l e c t i o n c o m b i n e dw i t hC Ec e r t i f i c a t i o no ft h es a f e t ys t a n d a r d sm a k et h ed e s i g no fl o g i cd r a w i n g，a n dp r i n c i p l e so fm a c h i n ea n dp l a c ee m p h a s i so na c t i o no fc h a n g i n gt o o l sa n dd e s i g no fp r i n c i p l e so fm a g a z i n e。K e yW o r d s：C N Cs y s t e m；V M C；C EC e r t i f i c a t i o n；t o o lm a g a z i n e大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：作者签名：耍 王墨Q!堡墨!丕统查童式拉三圭!塑鲍廛周主墨日期：旦年月盟日大连理J：大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：耍 王!Q!旦墨!丕红查童式盘三主!堂鲍廑周作者签名：耋盗日期：丝!年生月盟日导师签名：盈地盘日期：旌埠年卫月丝日人连理l：人学专业学位硕+学位论文1 绪论1 1研究背景从1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控铣床，到现在已走过了5 7 年的历程。第一台数控机床是由2 0 0 0 多个电子管组成的控制装置，其体积约一个普通实验室大小；它的伺服机构是采用一台小伺服马达改变液压马达斜盘角度，从而控制液动机速度；其插补装置采用脉冲乘法器。这台数控机床的研制成功，标志着机械制造的一个新的、数值控制时代的开始和数控技术的开创f。随着时代的推移，数控技术日趋成熟。数控系统由当初的电子管式起步，经历了分立式晶体管式、小规模集成电路式、大规模集成电路式、小型计算机式、超大规模集成电路、微机式的数控系统几个发展阶段。到了7 0 年代中期，计算机数控(C N C)出现了。到8 0 年代术，几乎每个工业发达的国家都建造了本土数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械设备所需要的数控系统，在许多大型的数控机床生产厂都拥有了自己的数控系统，并部分出售。近几年来随着微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机与C N C技术的紧密结合，越来越多的自动化装备生产厂掌握了开发和生产C N C 系统的技术。因此，就当今全世界范围来说，C N C 技术已经不再被少数几个国家的几个C N C 系统生产厂所垄断。正因为越来越多的数控系统厂商的出现，C N C 系统生产厂之间的竞争也越来越激烈，而数控系统的功能和性能也在此期间有了质的飞跃【2 训。现在，数控技术己成为先进制造技术的关键，其发展是与现代计算机技术、电子技术发展同步的，同时也是根据生产发展的需要而发展的。现在数控技术己趋于成熟，数控技术的发展将更深更广更快。未来的C N C 系统将会使机械更好用，更便宜，更可靠。随着中国国民经济的长期高速发展，中国对数控机床特别是加工中心的需求将持续大幅增加，从2 0 0 2 年丌始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2 0 0 4 年中国机床主机消费高达9 4 6 亿美元。但国产数控机床的现状却不容乐观，进口数控机床占很大比重，2 0 0 4 年仅加工中心就进口8 0 9 5 台、9 5 5 亿美元；国产加工中心市场占有率连年下降，2 0 0 2 年是2 4 3，2 0 0 5 年仅占2 1。，造成这种严峻的形势，除了我国数控技术开始研制丌发时(1 9 5 8 年)受不利因素的制约外，主要是我们对数控的基础技术研究重视不够，而对研究成果如何迅速转化为产品的实践应用更是匮乏；在国际合作方面，主要注重引进技术，而忽视消化和开发有中国特色的数控技术及产业。随着我国加入W T O 后，国外生产的数控机床将会更多的进西门子8 0 2 Ds l 系统在立式加T 中心的应用入我国市场，市场竞争将更为激烈。因此，提高国产数控系统的性能，发展具有中国特色的数控技术，已刻不容缓。而从应用层面了解国外先进数控系统，充分认识到国产数控系统的不足之处，就成为提高国产数控系统性能的捷径。1 2国内外数控系统发展现状现代生产发展的需要，使得数控机床在功能、可靠性及精度等方面不断地发展，而数控机床的发展主要反映在数控系统的发展上。而推动数控系统发展的源动力来自于两个方面，一是生产发展本身的要求，这也是整个机械装备制造业发展的源动力；另一个是现代电子技术和软件技术的推动。前者对数控系统提出功能上的要求，后者为数控系统实现功能提供技术支持。嫦娥一号奔月、神舟六号飞天是我国航天科技的重大进步，而这一切都对机械加工业提出了很高的要求。其实不仅仅是这些重大科技项目中会用到功能强大的数控机床，在我们的日常生活中也会接触到数控机床加工的产品，比如说时尚的手机、新款的运动鞋、流线型的汽车，以及给我们的生活带来巨大变化的动车组等，他们的模具和零部件的制造也要用到数控机床。复杂的造型需要复杂的加工，复杂的加工需要功能强大的数控系统，比如说四轴、五轴联动，能够进行自我精度调整等等。正是这些需求不断推动数控机床、数控系统的持续发展。电子技术、计算器技术、软件技术业的发展，使得开发新的性能更高的数控系统成为可能。如果没有这些基础科学技术、产业的支撑，是不可能发展出性能卓越的机床和系统。从数控系统诞生到现在已经有数十年的时间，在这几十年问已经发展出很多种数控系统，数控系统也已经发展了很多代。每一种数控系统都有自己的优缺点，在现在市面上广泛使用的数控系统也有很多种，譬如西门子的S I N U M E R I K、富士通公司的F A N U C系统、三菱公司的M E L D A S 系统、海德汉公司的H e i d e n h a i n 数控系统，华中数控系统等等。这几种数控系统中尤以F A N U C、S I N U M E R I K 市场占有率最高。下面就比较一下这几种数控系统的特点。1 2 1华中“世纪星”数控系统华中“世纪星”H N C 一2 1 2 2 数控系统是由华中数控自主研制的，具有自主知识产权的中高档数控系统。该系统价格低，性能高，操作简单，结构紧凑，体积小巧。采用彩色液晶显示器，支持6 轴联动、全闭环系统，支持U 盘，采用C A N 总线支持I O 扩展，人连理r 大学专业学位硕：学侍论文最多支持8 轴控制。可与多种C A D C A M 自动那个编程软件兼容，采用G 代码编程，适合多种车床、铣床及加工中心的控制。H N C 一2 1 2 2 数控系统的伺服驱动模块H S V 一1 6 0 是华中数控自主丌发的国内先进的伺服驱动单元，精度高，超低速性能好，无爬行现象，响应快，自测试和自诊断等功能齐伞，调速比宽，体积小巧，便于排布。H N C 一2 1 2 2 数控系统是大连机床所产立式加_ T 中心的常用数控系统，在国内有着广泛的用户团体，具有很高的可靠性。除该系统外，华中数控还研制了高性能、高集成的H N C 1 8 i 1 9 i X P 等系列产品。122 西门子数控系统西门子为中国的机床市场提供全系列的产品、解决方案与服务，产品范围覆盖从经济型到高精加工的整个应用领域。2 0 0 8 年底，西门子公一J 在原来S I N U M E R I K8 0 2 D 系统的基础上开发了8 0 2 Ds l 系统，该系统在控制轴数及存储容量和程序预读等功能都有裎著的提高。H 11l 州于数控系统F i g1】S i e m e n sn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m两l、J 子8 0 2 Ds l 系统在立式加丁中心的戍用S I N U M E R I K 和S I M O D R I V E 被广泛应用于汽车工业、模具制造业、航空制造业、消费类物品制造业、能源和动力设备制造业等制造自动化领域，西门子运动控制产品种类繁多：无论是高技术高精度机床，还是经济型数控设备，都可以采用西门子数控系统。西门子公司还致力于中国数控加工领域的人才培养事业，S I N U T R A I N 数控教育培训软件已成为大专院校、职业学院进行数控教学的有力工具。西门子系统在中国的市场占有率很高，保证这点的重要因素之一就是西门子的产品有很高的可靠性，因为西门子采用欧盟C E 认证标准，对所有产品进行“电磁兼容 设计，保证产品的运行稳定，同时还备有“符合电磁兼容规则的安装规范手册”，保证了产品运行的可靠性，从而在市场上占有重要的一席。1 2 3F A N U C 数控系统日本F A N U C 公司于1 9 5 6 年创建，1 9 5 9 年推出电液步进电机，在后来的若干年中逐步发展并完善以硬件为主的丌环数控系统。进入7 0 年代，微电子技术、功率电子技术，尤其是计算技术得到了飞速发展，F A N U C 公司一方面舍弃了电液步进电机数控产品，一方面从G E T T E S 公司引进直流伺服电机制造技术。1 9 7 6 年F A N U C 公司研制成功数控系统5，随后又与S I E M E N S 公司联合研制了数控系统7。从这时起，F A N U C 公司逐步发展成为世界上最大的专业数控系统生产厂家，产品R 新月异，在亚洲市场上成为龙头，更远销欧美市场。F A 7 C 公司是生产数控系统和工业机器人的著名厂家，该公司自6 0 年代生产数控系统以来，已经丌发出4 0 多种的系列产品。尤其是F A N U C 的工业机器人，在全球市场上独占鳌头，几乎达到了垄断地位。F A N U C 公司目前生产的F A N U C 3 0 i 3 1 i 3 2 i 系列是最适用于复合加工机、多系统车削的最尖端加工机床控制的纳米C N C 系统。F A N U C 3 1 i A 系统最多可以实现2 6 轴控制(进给轴2 0 个，主轴6 个)，4 路径的控制。该系统采用最新的硬件技术，如高速C P U，C N C 系统的内部总线高速化，用光纤电缆实现高速的数据传输，从而大幅度提高了C N C的性能。F A N U C 最新推出的O i D 系列数控系统是在O i C 系列数控系统的基础上推陈出新的产品，采用纳米插补的高可靠性、高性价比的C N C，适用于加工中心、车床、铣床等数控机床，其中的M A T E 系列产品性能优越，价格低廉，是针对中国市场中的小型机床推出的。除上述各个厂商系统外，还有围产的大连系统，广州数控系统，德国的力士乐阿波罗系统等均不一一列举。大连理工大学专业学位硕 学位论文1 2 4 机床数控技术的发展特点2 0 世纪8 0 年代开始，科学技术的不断发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动等提出了更高的要求。当今数控机床不断采用最新技术成果，朝着高速化、高精度化、高可靠性、智能化、网络化、造型宜人化等方向发展【5 9 1。(1)高精度、高速度化数控机床的加工效率和产品质量主要由，机床的速度和精度这两个重要指标来决定。在加工精度方面，除了采用减少数控系统误差及采用丝杠螺距补偿、反向间隙补偿、刀具补偿、丝杠预拉伸、油冷技术来提高精度外，还采用了滚珠丝杠副、直线滚动导轨、中空丝杠等新型功能零部件来提高精度。近十年来，由于上述措施的实施，普通级数控机床的精度已提高了5 0，精密级加工中心精度提高了7 0 左右，而超精密级机床精度则进入了纳米级。(2)高可靠性数控机床的可靠性主要由数控系统及其各伺服驱动模块的可靠性来决定。目前主要在以下几个方面采取措施来提高可靠性：提高系统的硬件质量：硬件结构标准化、模块化和通用化；增强故障诊断、自恢复和保护功能。(3)智能化随着计算机领域中人工智能的不断渗透和发展，数控系统向智能化发展。在新型数控系统中，将采用“进化计算”、“模糊系统”和“神经网络 等新的控制原理，从而使其性能大大提高。智能化的数控系统，不仅具有加工过程中的自适应控制、负载自动识别、工艺参数自生成、故障自诊断、自修复、刀具寿命自动检测更换等功能，而且引入了模式识别技术，可以让机床按照自然语音命令进行加工，更便于操作。(4)网络化网络化将极大的满足柔性生产线、柔性制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式的基础。目前，数控系统为用户配备了强大的联网能力，除了R S 2 3 2串行接口、R S 4 2 2 等接口外，还可以直接连入以太网，实现数控机床与数控机床、数控机床与P C 机之间的数据交换，为远程操作和监控、远程故障诊断提供了硬件保障。(5)造型宜人化造型宜人化是功能设计、人机工程学和工业美学的有机结合，是技术与经济、文化和艺术的统一和协调，使产品更具魅力、具有更好的销路。造型美观协调，色泽明快宜人，使人在优美舒适的环境中工作，从而激发操作者的j 工作情绪，达到提高一 作效率，西门子8 0 2 Ds l 系统在立式加J：中心的席用减少安全事故的目的。对我国而言，除以上发展特点外，还可以充分利用我国的永磁资源等优势，通过专业化生产，大大降低整个数控系统的造价，从而打造高性价比的数控产品。当然，数控系统的性能要求还是要大于价格要求的，因此，在现阶段，只有努力消化吸收国外先进数控系统的核心技术，应用到国产设备上，在此基础上大力开发国产数控系统，打造中国特色的数控产品，才能闯出我国数控系统发展的新纪元。1 3 论文的提出及主要工作数控系统的功能逐步强大，市场竞争的日益激烈，用户对机床控制的设计工作也有了更高的要求。而本课题所涉及的V D L 6 0 0 A 立式加工中心是以市场和用户为核心，以用户的要求为着眼点，在满足机床参数要求，欧盟B S E N l 2 4 1 7 2 0 0 1 中所列C E 认证要求的前提下进行全面设计的。西门子数控系统在我国高档数控市场的占有率很高，大约有4 0 左右，以市场为指挥棒，本课题所采用的控制系统，在实际应用方面也有很高的实用性。作者在主管V D L 6 0 0 A 立式加工中心的设计过程中，依据市场需求及用户实际要求，在满足机床参数及功能要求的前提下，对伺服电机匹配、电气逻辑图和电气原理图进行了设计，同时使其满足电气系统安全设计要求；使本机床在同等的机械、工艺条件下，其总体性能得以最大程度的展现，使得本课题研究的控制方法及设计理念在对同类产品的应用中有一定的借鉴和研究价值。本课题的主要工作：(1)根据V D L 6 0 0 A 型立式加工中心的各项规格参数，并结合欧盟B S E N l 2 4 1 7-2 0 0 1 中所列C E 认证要求，采用西门子8 0 2 Ds l 数控系统，完成了V D L 6 0 0 A型立式加工中心的控制系统总体设计。(2)针对V D L 6 0 0 A 型立式加工中心所采用的斗笠式圆盘刀库及刀臂式刀库，总结并提出了刀库换刀方法及其时序图，同时对换刀程序就行了详细分析，对两种刀库的特点进行了细致比较和评价。(3)通过设计系统硬件连接与P L C 梯形图，完成了控制面板与数控系统之间的命令传递和机床状态的实时显示；并利用西门子8 0 2 Ds l 系统的丌放性，结合用户的实际要求，通过P L C 梯形图及一些外部设备对机床的新控制功能进行了设置和扩展。(4)通过设计P L C 梯形图和外围控制线路，对行程开关，压力丌关等输入信号的接收，以及接触器线图通断，润滑油泵，冷却水泵，机床照明，电磁阀吸合等输出信大连理工大学专业学位硕十学位论文号进行控制。(5)通过“P r o g r a m m i n gT o o lP L C 8 0 2V 3 1 编程软件对P L C 梯形图进行编辑，并逐步调试、修改、完善程序，并进行试运行，最终完成整体控制系统设计，对该系统的有效、无误进行了全面验证。西I、J 子8 0 2 Ds l 系统在立式加：【：中心的应用2V D L 6 0 0 A 型立式加工中心V D L 6 0 0 A 型立式加工中心是大连机床集团公司引进国际先进技术，自行研制开发生产的新一代数控机床。该机床适用于小型板类、盘类等多品种零件的中小批量加工。工作台8 0 0 4 2 0m m，采用了德国西门子8 0 2 Ds l 数控系统，操作简单方便，可进行直线插补和圆弧插补操作。在工作台上一次装夹零件后可自动完成铣、镗、钻、扩孔、攻丝等多种工序加工。主轴标准转速8 0 0 0 r m i n。X、Y、Z 三个直线坐标都采用直线滚动导轨，X、Y 坐标速度可达2 4 m m iF i，Z 坐标速度可达2 0 m m i n。如果用户对坐标精度有特殊要求，可选择带高精度光栅尺的闭环控制系统。另外在本型机床上还可以选配数控回转工作台，增加第四回转轴，回转台在系统控制下，能够完成各种分度回转工作。回转工作台上可安装板、盘等其它形状复杂的被加工零件，也可以利用与之相配套的尾座，安装棒、轴类的被加工零件，实现等分或不等分的孔、槽或者连续特殊曲面的加工，保证很高的加工精度。刀库配备了最新的斗笠式刀库，装刀量1 6 把，换刀时间6 秒(也可以选择有机械手、装刀量2 4 把、换刀时间短至3 5 秒的刀臂式刀库)。本机床具有可靠性高、精度高、刚度高的特点。2 1加工中心概况加工中心(M a c h i n i n gC e n t e r)简称M C，是由机械设备、数控系统及外围辅助设备组成的适用于加工复杂零件的高效率自动化机床，是目前世界上应用最广泛、产量最高的数控机床之一n 0 1。工件一次装夹后能完成较多的加工内容，综合加工能力强，加工精度高；相对专机而言，有较高的柔性，通过改变机床程序及零件用央具，即可加工各种形状的零件。对于中等加工难度的大批量工件而言，其加工效率是普通设备的5 1 0倍；在形状较复杂、精度要求高的单件加工或中小批量多品种加工方面更能发挥其优势。例如必需采用工装和专机设备来保证产品质量和效率的工件，采用加工中心加工和通用夹具，可以省去工装和专机。这样大大缩短了新产品的研制和改型换代的的周期，同时也节省的制作工装和专机的费用，从而使企业具有更强的竞争能力。加工中心是多种加工设备的集合体，铣削、镗削、钻削、玫螺纹和切削螺纹等功能在加工中心上均有体现，这就使其具备了多种工艺手段，为其高效、高精度加工提供了有效保障。加工中心设置有刀库，这是它与其他数控机床的主要区别。刀库中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序控制其自动选用和更换，从而减少了工人的劳动量，大大缩短了工作时的换刀时间。人连理T 大学专业学位硕士学位论文加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心、卧式加工中心和复合加工中心。加工中心主轴与水平状态的工作台垂直的称为立式加工中心；主轴与水平状态的工作台平行的称为卧式加工中心；主轴可作垂直和水平转换的，称为立卧式加工中心或五面加工中心，也称复合加工中心。2 1 1立式加工中心立式加工中心生产量最大，占全部加工中心生产量的3 4。其中，工作台宽度小于6 0 0 m m 的占立式加工中心生产量的7 0 左右，工作台宽度在大于6 0 0 m m、小于1 0 0 0 m m和工作台宽度大于1 0 0 0 m m 的各占立式加工中心生产量的1 5 左右【1 2】。立式加工中心最少是三轴三联动，一般可实现四轴联动。其立柱高度是有限的，所以Z 轴的运动范围时要受到工件高度、工装夹具的高度、刀具的长度、刀库换刀占用的空间等诸多因素限制，故该型加工中心对箱体类工件加工范围要减少，这是立式加工中心的弱点。但立式加工中心也有诸多优点，如工件易装央，刀具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，冷却液能直接到达刀具和加工表面，切屑易排除和掉落，结构简单，占地面积较小，价格较低等。立式加工中心最适于加工Z 轴方向尺寸相对较小的工件(大部分为板类零件)，一般的情况下除底面不能加工外，其余五个面都可用不同的刀具进行轮廓和表面加工。C 型结构是国产立式加工中心的典型代表，X、Y 行程由工作台移动实现，如图2 1所示。在国内一些大型制造行业企业中，立式加工中心已实现批量生产，与国外同类产品相比，有一定价格优势，但在原材料及人工费用的上涨下，这一优势己在缩小，而在质量的稳定性和可靠性上却有着不小的差距。高速立式加工中心，国产的大部分是在现有成熟产品的机床进行改造，将驱动部件更换，换用大螺距丝杠、高速电主轴及高速伺服驱动电机，而其主体结构没有太大变化，这样改造的结果会导致机床的动态参数下降，与国外同类产品相比，其加工精度等参数均较低。国外高速立式加工中心大多采用门式结构和动柱式结构，工作台仅沿Y 轴运动或者固定不动，这种结构使得机床动态刚性较好，比较适合于高速加工。2 0 0 8 年，大连机床集团成功开发了V D 系列三坐标单元立式加工中心，并将于2 0 1 0 年C I M T 2 0 0 9 展会中展出，此机床采用Y 向双驱动结构，高速(快速移动速度可达5 4 m m i n)，高精度。采用工作台固定形式，便于加入到柔性制造系统中，相对于卧式加工中心价格低廉，结构简单，故障率低。精密立式加工中心，国产产品甚少。2 0 0 6 年，大连机床集团成功丌发了V D R 系列精密加工中心，并在C I M T 2 0 0 7 展出。该机床举标速度可达到4 5 m m i n，具有主轴温度西门子8 0 2 Ds l 系统在式加I 冲心的麻川补偿和x、Y、P 面上精度补偿系统技术，I 刊时刀库配备了最新的换刀装置，装刀量3 0把，换刀速度快，且可调速。陔机床很大程度上填补我国精密加工中心的空白。图21c 型立式加I 中心机F 培21C t y p e v e r t i c a l m a c h i n a l gc e n t e r212 卧式加工中心卧式加工中心的主轴空间状态足水平的。一般的卧式加工中心有三个到五个坐标轴，常配有一个叫转工件台，卧式加工中心刀库容量一般较大，有的刀库可存放几百把刀具。卧式加工中心的结构较直式加f 心复杂，体积和占地而积大，价格高。卧式加工中心较适于加工箱体类零件，如车床的床头箱，汽车的减速机壳等。只要次装夹在回转T 作台上即可对箱体(除顶面和底面之外)的四个而进行铣、镗、钻、攻丝等加工。当箱体零件上的孔或型腔响位置公差要求的，以及 L 和型腔对基准面(底面)有严格尺寸要求的，如端面与底面的垂直度、端面间的平行度，孔系与底面间的尺寸要求，孔系间的平行度要求等，在卧式加工中心上通过一次装央加工，加工精度得到保证，而且加大连理工大学专业学位硕十学位论文工效率高，适合于批量工件的加工。卧式加工中心坐标系与立式加工中心坐标系在空间上不同，加工时不如立式的直观；对工件检查和测量也比较繁琐；冷却条件不如立式的好，当对深孔的镗、铣、钻等，冷却液难以到达切削深处，必须降低机床的转速和进给量；且对复杂零件的加工程序调试时I、日J 较长，所以只有当加工工件数量越多，平均每件所用时间越少，才可以降低成本，故卧式加工中心多用于大批量加工。但卧式加工中心的加工精度和加工质量较高，因此一些精度要求高，其它设备无法达到其精度要求的工件，特别是模具加工中的一些空间曲面和复杂形状的工件，即使是单件生产，也要考虑在卧式加工中心上加工。由此可见卧式加工中心既是高效、高质量的自动化生产设备，又是攻克工艺难题的设备【l3 1。与立式加工中心相比，卧式加工中心的功能较强，且有数控或者分度回转工作台，工件一次装夹可实现多个工位的加工，立式加工中心加工不了的工件，一般都可在卧式加工中心上加工。总体而言卧式加工中心有其优点，也有不足，使用时用其优避其劣。2 1 3 复合加工中心复合加工中心是指工件一次装夹后，能完成多个面的加工的设备。现有的复合加工中心，在工件一次装央后，能够完成除与工作台面接触面外的其他各面的加工，包括铣削、钻削等多种工艺手段。此型加工中心兼有立式和卧式加工中心的功能，在加工过程中可保证复杂工件的位置公差。常见的复合加工中心有两种形式，一种是主轴做相应角度旋转，可成为立式加工中心或卧式加工中心。另一种是工作台带着工件做旋转，主轴不改变方向而实现五面加工。复合加工中心可以减小工件的安装定位次数，进而减小其安装定位误差，提高工件的加工精度；同时减少工序的工装夹具件数，从而可节省工装的准备时间及工装成本；节省因工序转换所需的等待、上下料及装央等辅助时间，从而大大提高了生产率；减少加工复杂零件所需的机床台数，缩短物流系统，从而大大减少设备占地面积【M】。但复合加工中心都存在着结构复杂，造价昂贵的缺点。五面加工中心的功能比多工作台加工中心的功能还要强大，控制系统先进，其价格是工作台尺寸相同的多工位加工中心的二倍左右【1 5】。国内只有少数大型机床生产厂商可以生产，但都没有实现商业化，只是做样机。2 2 西门子系统8 0 2 DsI 的介绍本课题研究的数控系统为两门子公司制造的S I M M E R I K8 0 2 Ds l 系统。S 肿I M E R I K8 0 2 Ds l 系统采用紧凑的框架式硬件结构，将所有数控系统元件(数字控制器，可编程控制器，人机操作界面)集成与一体，采用操作而板安装形式【l6 l。配套西门子8 0 2 Ds l 系统在立式加T 中心的应用的驱动器为S I N A M I CS 1 2 0，其接口采用西门子公司最新设计的分布式安装、简化系统结构的驱动技术，该驱动技术采用D R I V E C L i Q 接口，可连接6 轴数字驱动。外部设备通过现场控制总线P R O F I B U S 连接。S I N U M E R I K8 0 2 Ds l 为加工中心提供了完备的功能，其配套的模块化结构的驱动系统为各种应用提供极大的灵活性。系统内置了多项标准功能，1 0 4”的T F T 彩色液晶显示器；高容量C F 卡，支持R S 2 3 2 和以太网接口；控制轴数6 个(包括4 个进给轴，1个主轴和1 个P L C 轴)；刀具寿命监控功能；还有用于模具D i-v 的程序压缩器等。程序预读、前馈、加速度过冲限制、压缩器等功能便于模具加工等应用。系统中集成了大容量的预读缓冲区(最大可达1 0 0 段程序)，带图形支持的固定循环可用于车削、铣削和钻削加工，支持轮廓元素、D I N 标准和I S O 语言编程，极大的方便了最终用户的加工编程。S I N U M E R I K8 0 2 Ds l 相对于8 0 2 D 在性能上做了很多改进，例如：可以方便的使用D I N 编程技术和I S O 代码进行编程；C N C、P L C、H M I、输入输出模块P P 7 2 4 8 一体化设计的框架式系统结构；由各种循环和轮廓编程提供的扩展编程帮助技术；通过D R I V E C L i Q 接口实现的数字式驱动技术提供统一的数字式接口标准，使得驱动器“即插即用，省去繁琐的接线过程；各种驱动功能按照模块化设计，可以根据性能要求和智能化要求灵活安排，各种模块不需要电池及风扇，因而无需任何维护。S I N U M E R I K8 0 2 Ds l 的各项新功能给用户带来极大的方便。例如，可连接6 个控制轴，其中5 个是数字驱动轴，1 个是P L C 轴。在加工中心应用上，数字驱动轴中的任意4 个都可以作为联动轴进行插补运算，另一个作为定位轴使用；而在车床的应用上，还提供一个相应的数字式主轴作为一个变型使用，在带C 轴功能时，可采用3 个数字轴，一个数字主轴，一个数字辅助主轴和一个数字定位轴的配置。